JP4615539B2 - Crystal manufacturing apparatus and crystal manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、結晶成長装置、結晶製造装置及び結晶製造方法に関し、詳細には、安価かつ簡単な構成で良質なGaN系半導体結晶膜を成長させる結晶成長装置、結晶製造装置及び結晶製造方法に関するものである。 The present invention relates to a crystal growth apparatus, a crystal production apparatus, and a crystal production method, and more particularly to a crystal growth apparatus, a crystal production apparatus, and a crystal production method for growing a high-quality GaN-based semiconductor crystal film with an inexpensive and simple configuration. It is.
従来、GaN、AlN、InN及びこれらの混晶(以下、GaN系という。)半導体の結晶成長は、一般に、MO−VPE(有機金属気相成長)法を用いて行われているが、このMO−VPE法で良質なGaN系半導体の結晶成長を行わせるためには、その結晶成長温度を800℃〜1200℃と高温で行う必要がある。 Conventionally, crystal growth of GaN, AlN, InN, and mixed crystals of these (hereinafter referred to as GaN-based) semiconductors is generally performed using MO-VPE (metal organic chemical vapor deposition). In order to perform crystal growth of a good quality GaN-based semiconductor by the -VPE method, it is necessary to perform the crystal growth temperature at a high temperature of 800 ° C. to 1200 ° C.
ところが、MO−VPE法で結晶成長温度を上記高温で行うと、熱対流の影響が大きく、種々の工夫が必要である。 However, when the crystal growth temperature is performed at the above-described high temperature by the MO-VPE method, the influence of thermal convection is large, and various devices are required.
すなわち、MO−VPE法においては、従来、図10に示すように、反応容器1内に挿入されたシャフト2の先端部にサセプター3が配設されており、サセプター3の上面に基板4が載置される。この基板4の上面に数mmという近い間隔を空けて開口するガス噴射管5が配設されており、ガス噴射管5から基板4に向かって略垂直方向から反応ガスが噴射される。サセプター3上の基板4は、サセプター3の下方に配設されたヒーター6により所定の高温度に加熱される。そして、MO−VPE法においては、一般的に、GaN系半導体膜を結晶成長するための反応ガス(原料ガス)は、III族原料として、TMG(トリメチルガリウム)、TMA(トリメチルアルミニウム)、TMI(トリメチルインジウム)等の有機金属を用い、また、V族原料として、アンモニウムを一般的に用い、これらの原料ガスを誘導加熱あるいは図10に示したような抵抗加熱方式等の手法により加熱された結晶成長基板4の表面に輸送して結晶成長を行う。
That is, in the MO-VPE method, conventionally, as shown in FIG. 10, the
このとき、MO−VPE法においては、基板4の温度が高いために、熱対流の影響を受けて、V族原料としてのアンモニアが効果的に基板4に到達することができず、窒素空孔が多く、結晶性の悪いGaN系半導体膜が成長してしまうという問題がある。 At this time, in the MO-VPE method, since the temperature of the substrate 4 is high, the ammonia as the group V raw material cannot effectively reach the substrate 4 due to the influence of thermal convection, and the nitrogen vacancy There is a problem that a GaN-based semiconductor film having poor crystallinity is grown.
そこで、従来、特許2628404号及び特許2556211号公報に記載されている半導体結晶膜の成長方法及び半導体結晶層の成長装置等が提案されている。 Therefore, conventionally, a semiconductor crystal film growth method, a semiconductor crystal layer growth apparatus, and the like described in Japanese Patent No. 2628404 and Japanese Patent No. 2562211 have been proposed.
特許2628404号の半導体結晶膜の成長方法では、加熱された基板の表面に、基板に対して平行ないし傾斜する方向と、基板に対して実質的に垂直な方向からガスを供給して、加熱された基板の表面に半導体結晶膜を成長させる方法において、基板の表面に平行ないし傾斜する方向には反応ガスを供給し、基板の表面に対して実質的に垂直な方向には、反応ガスを含まない不活性ガスの押圧ガスを供給し、不活性ガスである押圧ガスが、基板の表面に平行ないし傾斜する方向に供給される反応ガスを基板表面に吹き付ける方向に方向を変更させて、半導体結晶膜を成長させている。 In the method for growing a semiconductor crystal film of Japanese Patent No. 2628404, a gas is supplied to the surface of a heated substrate from a direction parallel or inclined with respect to the substrate and a direction substantially perpendicular to the substrate. In the method of growing a semiconductor crystal film on the surface of a substrate, a reaction gas is supplied in a direction parallel or inclined to the surface of the substrate, and a reaction gas is contained in a direction substantially perpendicular to the surface of the substrate. The semiconductor crystal is supplied with a non-inert gas pressing gas, and the direction of the pressing gas, which is an inert gas, is changed to a direction in which a reactive gas supplied in a direction parallel to or inclined to the surface of the substrate is blown onto the substrate surface. Growing film.
具体的には、図11に示すように、反応容器11内に収納されたサセプター12の上面に基板13が載置され、基板13がサセプター12を介してヒーター14により設定温度に加熱される。この基板13に対して平行ないしは傾斜する方向から反応ガス噴射管15を通して反応ガスを供給し、基板13に対して実質的に垂直な方向から副噴射管16を通して反応ガスを含まない水素、窒素の単族あるいは混合ガスを押圧ガスとして供給している。なお、図11において、サセプター12は、回転駆動されるシャフト17に取り付けられており、反応容器11内のガスは、排気口18から真空ポンプにより排出される。また、図11において、基板13の温度は、放射温度計により測定されて、ヒーター14による加熱が制御されている。
Specifically, as shown in FIG. 11, the
したがって、基板13に対して二方向からガスを流すことで、熱対流の問題を回避して、反応ガスを効率的に基板13の表面に輸送し、窒素空孔の少ない良好な結晶性のGaN系半導体膜の結晶成長を図っている。さらに、基板13を数rpmの回転速度で回転させて、基板13内のGaN系半導体結晶成長領域を均一にしている。
Therefore, by flowing gas from two directions with respect to the
また、特許2556211号の半導体結晶層の成長装置では、反応容器と、基板を載せるために反応容器の内部に配設されているサセプターと、サセプターを加熱する手段と、基板に向かって反応ガスを供給する反応ガス供給管とを備える半導体結晶層の成長装置において、反応容器に、ガスを流入させる透明管を備えており、透明管は先端よりも後端を細くした筒状で、少なくとも一部は反応容器の外側に表出しており、透明管の先端は反応容器内に開口されており、さらに透明管の後端はガスの供給源に連結されており、透明管を介して基板の半導体結晶層の状態が観測できるように構成されている半導体結晶層の成長装置を提案している。 Further, in the semiconductor crystal layer growth apparatus disclosed in Japanese Patent No. 2556211, a reaction vessel, a susceptor disposed inside the reaction vessel for mounting the substrate, a means for heating the susceptor, and a reaction gas toward the substrate. A semiconductor crystal layer growth apparatus comprising a reaction gas supply pipe for supplying a transparent tube for introducing a gas into a reaction vessel, the transparent pipe having a cylindrical shape with a rear end narrower than a tip, and at least partly Is exposed to the outside of the reaction vessel, the tip of the transparent tube is opened in the reaction vessel, and the rear end of the transparent tube is connected to a gas supply source. A semiconductor crystal layer growth apparatus is proposed which is configured so that the state of the crystal layer can be observed.
具体的には、図11に示した装置と同様の装置であって、押圧ガスを供給するための管の先端(基板に近い端)の方が後端よりも太くなっている筒状の形状としている。 Specifically, it is an apparatus similar to the apparatus shown in FIG. 11 and has a cylindrical shape in which the tip (end close to the substrate) for supplying the pressurized gas is thicker than the rear end. It is said.
これにより、原料ガスの戻りが無くなり、押圧ガスを供給するための管が汚れることを防止して、原料ガスが基板に効果的に到達させるように図っている。 Thereby, the return of the source gas is eliminated, the pipe for supplying the pressing gas is prevented from becoming dirty, and the source gas effectively reaches the substrate.
さらに、従来、熱対流とGaN系半導体結晶層の基板内分布の均一性の向上を図った半導体薄膜の形成方法が提案されている(特開平8−56015号公報参照)。この半導体薄膜の形成方法は、具体的には、原料ガスを加熱された基板の上方から基板に供給することで、GaN系半導体を結晶を成長させるが、この際、基板及び基板の加熱源を300rpm以上という高速で回転させて、基板上方から供給される原料ガスの基板表面近傍への供給を適切に行おうとしている。
しかしながら、このような従来の結晶成長装置にあっては、上記熱対流の問題についてなお充分には改善されておらず、結晶成長をより精度良く行う上で改良の必要があるとともに、結晶成長装置が複雑となり、コストが高くなるという問題があった。 However, in such a conventional crystal growth apparatus, the problem of the thermal convection has not been sufficiently improved, and it is necessary to improve the crystal growth with higher accuracy. However, there is a problem that the cost becomes high.
すなわち、一般的なMO−VPE装置は、図10に示したように、ガスの吹き出し口であるガス噴射管が一方向のものが多く、上記各特許公報記載の結晶成長装置や方法においては、ガスの吹き出し口が二方向で、かつ、略直交する方向から供給することが必要となり、結晶成長装置が複雑で、高価なものになる。 That is, as shown in FIG. 10, a general MO-VPE apparatus has many gas injection pipes that are gas outlets in one direction. In the crystal growth apparatuses and methods described in the above patent publications, The gas blowing ports need to be supplied from two directions and from substantially orthogonal directions, and the crystal growth apparatus becomes complicated and expensive.
また、上記公報記載の結晶成長装置や方法のように、二方向からガスを供給すると、基板が静止した状態では、基板の一部にしか膜が成長されないため、基板上に均一にGaN系半導体膜を成長させるためには、基板を回転させる機構が必要となり、結晶成長装置がさらに複雑で、高価なものになるという問題があった。 Further, as in the crystal growth apparatus and method described in the above publication, when a gas is supplied from two directions, a film is grown only on a part of the substrate when the substrate is stationary. In order to grow the film, a mechanism for rotating the substrate is necessary, and there is a problem that the crystal growth apparatus is further complicated and expensive.
さらに、MO−VPE装置の反応容器は、一般的に、誘導加熱や抵抗加熱が可能なこと、高温での使用に耐えうること及び反応容器への形状加工が比較的安価であることから、石英製の管が反応容器として用いられているが、石英管を反応容器として用いて、略直交する方向にガス供給管を形成すると、反応容器の形状加工が複雑となり、高価なものとなる。さらに、反応容器の内壁には、通常、反応生成物が付着し、付着量が多くなると、付着した反応生成物が剥離して、結晶成長基板に付着し、生成された半導体結晶の歩留まりが低下するという問題が発生する。この問題を解決するために、従来から反応容器内壁にある程度の反応生成物が付着すると、反応容器を洗浄して、反応容器内壁に付着した反応生成物を除去しているが、反応容器が上述のように略二方向からガスを供給させるために複雑な形状に形成されていると、反応容器の洗浄操作が行いにくく、反応容器を洗浄する際の操作性が悪いという問題がある。 Furthermore, the reaction vessel of the MO-VPE apparatus is generally made of quartz because it can be induction-heated or resistance-heated, can withstand use at high temperatures, and is relatively inexpensive to shape the reaction vessel. A manufactured tube is used as a reaction vessel. However, if a gas supply tube is formed in a substantially orthogonal direction using a quartz tube as a reaction vessel, shape processing of the reaction vessel becomes complicated and expensive. Furthermore, reaction products usually adhere to the inner wall of the reaction vessel, and when the amount of adhesion increases, the attached reaction products peel off and adhere to the crystal growth substrate, reducing the yield of the produced semiconductor crystals. Problem occurs. In order to solve this problem, when a certain amount of reaction product adheres to the inner wall of the reaction vessel, the reaction vessel is washed to remove the reaction product adhering to the inner wall of the reaction vessel. As described above, when the gas is supplied in approximately two directions so as to have a complicated shape, there is a problem that it is difficult to perform the washing operation of the reaction vessel and the operability when washing the reaction vessel is poor.
また、反応容器は、上記石英の他に、ステンレスを用いて形成されることがあるが、GaN系半導体膜の結晶成長を行う場合、1000℃以上の高温に対応させる必要があり、このような高温に対応させるために、反応容器の冷却機構に種々の工夫を必要とする。この場合、上記従来のように反応容器が略二方向からガスを供給させるために複雑な形状に形成されていると、冷却機構を反応容器に設けることが困難となり、構造がより一層複雑となって、結晶成長装置がさらに高価なものとなるという問題がある。 In addition, the reaction vessel may be formed using stainless steel in addition to the quartz. However, when crystal growth of a GaN-based semiconductor film is performed, it is necessary to cope with a high temperature of 1000 ° C. or higher. In order to cope with high temperatures, various devices are required for the cooling mechanism of the reaction vessel. In this case, if the reaction vessel is formed in a complicated shape to supply gas from approximately two directions as in the conventional case, it is difficult to provide a cooling mechanism in the reaction vessel, and the structure becomes even more complicated. Thus, there is a problem that the crystal growth apparatus becomes more expensive.
さらに、一般的なMO−VPE装置では、GaN系半導体膜を高温で成長するために、図10に示したように、原料ガスの吹き出し口を基板から数mm離れた位置に設置し、2m/secの高速で原料ガスを基板に吹き付けることで、熱対流の問題に対処しているが、基板付近に原料ガスの吹き出し口が配設されていると、原料ガスの広がりが少なく、大面積に均一な膜を成長させることができないという問題がある。 Further, in a general MO-VPE apparatus, in order to grow a GaN-based semiconductor film at a high temperature, as shown in FIG. The problem of thermal convection is dealt with by blowing the source gas to the substrate at a high speed of sec. However, if the source gas outlet is arranged near the substrate, the source gas is less spread and the area is increased. There is a problem that a uniform film cannot be grown.
また、特許2628404号及び特許2556211号の半導体結晶膜の成長方法にあっては、ガスの吹き出し口の温度上昇による当該吹き出し口への反応生成物の付着や原料ガスが基板表面に到達する前の反応を防止することができず、結晶成長をより精度良く行う上で改良の必要がある。すなわち、上記従来の方法では、基板に対して平行あるいは傾斜する方向から供給する原料ガスの吹き出し口は、基板あるいは基板を保持するサセプターに対して数mmという近接して配置することが必要であり、吹き出し口の温度が上昇する。その結果、吹き出し口に反応生成物が付着したり、原料ガスが基板表面に到達する前に反応してしまうことを防止することができず、結晶成長精度が悪化する。 Further, in the method for growing a semiconductor crystal film disclosed in Japanese Patent No. 2628404 and Japanese Patent No. 2562211, the reaction product adheres to the blowout port due to the temperature rise of the gas blowout port and the source gas before reaching the substrate surface. The reaction cannot be prevented, and improvement is necessary for more accurate crystal growth. That is, in the above conventional method, it is necessary to dispose the source gas blowout port supplied from a direction parallel or inclined with respect to the substrate as close as several mm to the substrate or the susceptor holding the substrate. The temperature of the outlet rises. As a result, it is impossible to prevent a reaction product from adhering to the outlet or reacting before the source gas reaches the substrate surface, and the crystal growth accuracy deteriorates.
さらに、上記特開平8−56015号公報記載の半導体薄膜の形成方法にあっては、原料ガスの吹き出し口は、基板近傍に配置されており、熱対流により吹き出し口の温度が上昇し、上記同様に、吹き出し口に反応生成物が付着したり、原料ガスが基板表面に到達する前に反応してしまうことを防止することができず、結晶成長精度が悪化する。また、基板及び加熱源を高速で回転させる必要があり、基板及び加熱源を高速回転させる回転軸と反応容器とのシール部分に特殊な工夫が必要となり、また、基板ホルダー付近の高速回転・高温維持に伴う機械的強度を考慮する必要があり、構造がより一層複雑となって、結晶成長装置がさらに高価なものとなるという問題がある。 Furthermore, in the method for forming a semiconductor thin film described in JP-A-8-56015, the source gas outlet is disposed in the vicinity of the substrate, and the temperature of the outlet rises due to thermal convection. In addition, it is impossible to prevent the reaction product from adhering to the outlet or reacting before the source gas reaches the substrate surface, and the crystal growth accuracy deteriorates. In addition, it is necessary to rotate the substrate and the heating source at a high speed, and special measures are required for the seal portion between the rotating shaft that rotates the substrate and the heating source at a high speed and the reaction vessel. There is a problem that it is necessary to consider the mechanical strength accompanying the maintenance, the structure becomes more complicated, and the crystal growth apparatus becomes more expensive.
そこで、本発明は、基板の加熱による熱対流により基板の結晶成長表面への原料ガスの到達が阻害されることを防止し、簡単な構成で良好な結晶成長を行うことのできる安価な装置及び方法を提供することを目的としている。 Therefore, the present invention prevents the raw gas from reaching the crystal growth surface of the substrate by thermal convection due to heating of the substrate and prevents an inexpensive apparatus capable of performing good crystal growth with a simple configuration and It aims to provide a method.
また、本発明は、原料ガスを基板の結晶成長面に適切に供給し、簡単な構成でより一層良好な結晶成長を行うとともに、反応容器の内壁への反応生成物の付着を抑制して、反応容器の洗浄頻度を減少させ、利用性の良好な装置及び方法を提供することを目的としている。 In addition, the present invention appropriately supplies the source gas to the crystal growth surface of the substrate, performs better crystal growth with a simple configuration, suppresses the adhesion of the reaction product to the inner wall of the reaction vessel, An object of the present invention is to provide an apparatus and a method having good usability by reducing the frequency of washing the reaction vessel.
本発明の製造装置は、所定の反応容器内でサセプターに保持された基板を所定温度に加熱しつつ原料ガスを前記基板に噴射し、気相反応させて結晶を成長させる結晶製造装置において、前記原料ガスを噴射する第一ガス供給管と、前記反応に直接寄与しない第二のガスを噴射する第二ガス供給管と、前記反応に直接寄与しない第三のガスを前記反応容器内に導入するガス導入管と、を備え、前記基板の結晶成長を行う側の表面は、重力と反対方向のベクトルに対して対向する方向に向いた状態で設置され、前記第一ガス供給管の前記原料ガスの吹き出し口が当該基板の結晶成長を行う側の表面に対して略垂直に対向する状態で配設され、前記第二ガス供給管は、前記基板の結晶成長を行う側の表面に対向する方向に向いた状態で、かつ、当該基板の外周よりも外側の位置に向かって前記第二のガスを噴射する状態で配設され、前記ガス導入管は、前記第一ガス供給管を中心として当該第一ガス供給管の径方向外方の位置に配設されているとともに、そのガスの吹き出し口が前記基板の結晶成長を行う側の表面に対向する方向から前記第一ガス供給管の前記吹き出し口よりも前記基板側に延在して、当該基板の結晶成長を行う側の表面と略同じ位置であって径方向外方の位置まで延在して配設されていることを特徴とする。 Manufacturing apparatus of the present invention, the substrate held by the susceptor at a predetermined reaction vessel was injected into the substrate heating situ Tsuhara material gas to a predetermined temperature, the crystal manufacturing apparatus for growing a crystal by vapor phase reaction a first gas supply pipe for injecting the raw material gas, a second gas supply pipe for injecting a second gas which does not contribute directly to the reaction, a third gas which does not contribute directly to the reaction in the reaction vessel A gas introduction pipe to be introduced, and the surface of the substrate on which crystal growth is performed is installed in a state facing a direction opposite to a vector opposite to gravity, and the first gas supply pipe has the surface The source gas blowout port is disposed in a state of facing substantially perpendicular to the surface of the substrate on which crystal growth is performed, and the second gas supply pipe faces the surface of the substrate on which crystal growth is performed In the state of facing and Is disposed in a state of injecting the second gas toward the outer position than the outer periphery of the plate, the gas inlet pipe is radially outer of the first gas supply pipe about said first gas supply pipe And the gas blowout port extends to the substrate side from the blowout port of the first gas supply pipe from the direction facing the surface of the substrate on which crystal growth is performed. Then, the substrate is arranged so as to extend to a radially outer position at substantially the same position as the surface on the crystal growth side of the substrate.
上記構成によれば、第二ガス供給管から噴射された第二のガスで第一ガス供給管から基板に噴射された原料ガスの広がりを抑制して、より一層原料ガスを基板の結晶成長面に適切に供給することができ、簡単な構成でより一層良好な結晶成長を行うことができるとともに、反応容器の内壁への反応生成物の付着を抑制して、反応容器の洗浄頻度を減少させることができ、利用性を向上させることができる。 According to the above configuration, the second gas injected from the second gas supply pipe suppresses the spread of the source gas injected from the first gas supply pipe to the substrate, and the source gas is further grown on the crystal growth surface of the substrate. In addition to being able to supply properly to the reactor, it is possible to perform better crystal growth with a simple configuration, and to reduce the frequency of cleaning the reaction vessel by suppressing the adhesion of reaction products to the inner wall of the reaction vessel Can improve usability.
また、ガス導入管から噴射された第三のガスで第一ガス供給管から基板に噴射された原料ガスの広がりをより一層抑制して、より一層原料ガスを基板の結晶成長面に適切に供給することができ、簡単な構成でより少ない原料ガスでより一層良好な結晶成長を行うことができるとともに、反応容器の内壁への反応生成物の付着をより一層抑制して、反応容器の洗浄頻度を減少させることができ、利用性を向上させることができる。 In addition, the third gas injected from the gas introduction pipe further suppresses the spread of the source gas injected from the first gas supply pipe to the substrate, and further supplies the source gas more appropriately to the crystal growth surface of the substrate. In addition to being able to perform better crystal growth with less material gas with a simple structure, the adhesion of reaction products to the inner wall of the reaction vessel is further suppressed, and the frequency of cleaning the reaction vessel is reduced. Can be reduced and usability can be improved.
本発明の結晶製造方法は、所定の反応容器内でサセプターに保持された基板を所定温度に加熱しつつ原料ガスを前記基板に噴射し、気相反応させて結晶の成長を行う結晶製造方法において、前記原料ガスを噴射する第一ガス供給管と、前記反応に直接寄与しない第二のガスを噴射する第二ガス供給管と、前記反応に直接寄与しない第三のガスを前記反応容器内に導入するガス導入管と、を備え、前記基板の結晶成長を行う側の表面を、重力と反対方向のベクトルに対して対向する方向に向いた状態で設置し、当該基板の結晶成長を行う側の表面に対して略垂直に対向する状態で配設された第一ガス供給管の前記原料ガスの吹き出し口から当該基板の結晶成長を行う側の表面に前記原料ガスを吹き出すとともに、前記基板の結晶成長を行う側の表面に略対向する方向から当該基板の外周よりも外側の位置に向かって、前記第二ガス供給管から前記反応に直接寄与しない第二のガスを噴射し、前記第一ガス供給管を中心として当該第一ガス供給管の径方向外方の位置に配設され且つそのガスの吹き出し口が前記基板の結晶成長を行う側の表面に対向する方向から前記第一ガス供給管の前記吹き出し口よりも前記基板側に延在して、当該基板の結晶成長を行う側の表面と略同じ位置であって径方向外方の位置まで延在して配設された前記ガス導入管から前記反応に直接寄与しない第三のガスを導入することにより、前記結晶成長を行うことを特徴とする。 Crystal production method of the present invention, the crystal production to grow a predetermined a substrate held on a susceptor in a reaction vessel by injecting heated situ Tsuhara material gas to a predetermined temperature to the substrate, the crystal by vapor phase reaction in the method, a first gas supply pipe for injecting the raw material gas, a second gas supply pipe for injecting a second gas which does not directly contribute to the reaction, the third gas the reaction vessel which does not contribute directly to the reaction A gas introduction pipe for introducing into the substrate, and the surface of the substrate on which crystal growth is to be performed faces in a direction opposite to the vector in the direction opposite to gravity, and crystal growth of the substrate is performed. The raw material gas is blown out from the raw material gas blowing port of the first gas supply pipe disposed in a state of being substantially perpendicularly opposed to the surface on the performing side to the surface on the crystal growth side of the substrate, and The side of the substrate where the crystal is grown A second gas that does not directly contribute to the reaction is injected from the second gas supply pipe toward a position outside the outer periphery of the substrate from a direction substantially facing the surface, with the first gas supply pipe as the center. From the direction in which the gas blowing port is disposed at the radially outer position of the first gas supply pipe and the gas blowing port faces the surface on the crystal growth side of the substrate, from the blowing port of the first gas supply pipe also extends to the substrate side, in the reaction from extending to a position substantially radially outward of the same position as the side surface of crystal growth of the substrate is disposed said gas inlet tube The crystal growth is performed by introducing a third gas that does not directly contribute.
上記構成によれば、基板の加熱による熱対流により基板の結晶成長表面への原料ガスの到達が阻害されることを防止することができ、簡単かつ安価に良好な結晶成長を行うことができる。 According to the above configuration, it is possible to prevent the source gas from reaching the crystal growth surface of the substrate from being inhibited by thermal convection due to heating of the substrate, and good crystal growth can be easily performed at low cost.
また、第二ガス供給管から噴射された第二のガスでガス供給管から基板に噴射された原料ガスの広がりを抑制して、より一層原料ガスを基板の結晶成長面に適切に供給することができ、簡単な構成でより一層良好な結晶成長を行うことができるとともに、反応容器の内壁への反応生成物の付着を抑制して、反応容器の洗浄頻度を減少させることができ、利用性を向上させることができる。 In addition, the second gas injected from the second gas supply pipe suppresses the spread of the raw material gas injected from the gas supply pipe to the substrate, thereby further appropriately supplying the raw material gas to the crystal growth surface of the substrate. It is possible to perform better crystal growth with a simple structure, and to reduce the frequency of washing of the reaction vessel by suppressing the adhesion of reaction products to the inner wall of the reaction vessel. Can be improved.
また、ガス導入管から噴射された第三のガスで第一ガス供給管から基板に噴射された原料ガスの広がりをより一層抑制して、より一層原料ガスを基板の結晶成長面に適切に供給することができ、簡単な構成でより少ない原料ガスでより一層良好な結晶成長を行うことができるとともに、反応容器の内壁への反応生成物の付着をより一層抑制して、反応容器の洗浄頻度を減少させることができ、利用性を向上させることができる。 In addition, the third gas injected from the gas introduction pipe further suppresses the spread of the source gas injected from the first gas supply pipe to the substrate, and further supplies the source gas more appropriately to the crystal growth surface of the substrate. In addition to being able to perform better crystal growth with less material gas with a simple structure, the adhesion of reaction products to the inner wall of the reaction vessel is further suppressed, and the frequency of cleaning the reaction vessel is reduced. Can be reduced and usability can be improved.
この場合、例えば、前記結晶成長方法は、前記基板の加熱温度が700℃以上となる工程を少なくとも一工程行うものであってもよい。 In this case, for example, the crystal growth method may perform at least one step in which the heating temperature of the substrate becomes 700 ° C. or higher.
上記構成によれば、熱対流が顕著となる700℃以上の工程においても、基板の結晶成長表面への原料ガスの到達が阻害されることを防止することができ、簡単かつ安価に良好な結晶成長を行うことができる。 According to the above configuration, it is possible to prevent the arrival of the source gas to the crystal growth surface of the substrate even in a process of 700 ° C. or higher where the thermal convection becomes remarkable, and a good crystal can be easily and inexpensively. Can do growth.
また、例えば、前記結晶成長方法は、前記基板の前記結晶成長を行う側の表面以外の部分を、前記加熱源としての前記サセプターからの輻射熱を散乱、吸収、反射する所定のカバーで覆った状態で、前記基板を加熱して、前記結晶成長を行ってもよい。 Further, for example, in the crystal growth method, a portion of the substrate other than the surface on the crystal growth side is covered with a predetermined cover that scatters, absorbs, and reflects radiant heat from the susceptor as the heating source. Then, the substrate may be heated to perform the crystal growth.
上記構成によれば、加熱源であるサセプターからの輻射熱でサセプターの外周周辺の温度上昇を低減することができ、基板の結晶成長表面への原料ガスの到達が阻害されることをより一層適切に防止することができるとともに、サセプターの外面にGaN系膜が付着して基板上に成長される結晶の品質が低下することを防止することができ、簡単かつ安価により一層良好な結晶成長を行うことができる。 According to the above configuration, the temperature rise around the outer periphery of the susceptor can be reduced by radiant heat from the susceptor that is a heating source, and it is even more appropriate that the arrival of the source gas to the crystal growth surface of the substrate is inhibited. In addition to preventing GaN-based films from adhering to the outer surface of the susceptor and preventing the quality of crystals grown on the substrate from deteriorating, simpler and cheaper to achieve better crystal growth Can do.
さらに、例えば、前記結晶成長方法は、前記カバーの外表面が非鏡面加工された石英で形成されていてもよい。 Further, for example, in the crystal growth method, the outer surface of the cover may be formed of quartz having a non-mirror finish.
上記構成によれば、加熱源であるサセプターからの輻射熱でサセプターの外周周辺の温度が上昇することをより一層抑制することができ、基板の結晶成長表面への原料ガスの到達が阻害されることをより一層適切に防止することができるとともに、サセプターの外面に付着したGaN系膜が剥がれ落ちることを防止することができ、簡単かつ安価により一層良好な結晶成長を行うことができる。 According to the above configuration, it is possible to further suppress an increase in the temperature around the outer periphery of the susceptor due to radiant heat from the susceptor that is a heating source, and the arrival of the source gas to the crystal growth surface of the substrate is inhibited. Can be prevented more appropriately, and the GaN-based film adhering to the outer surface of the susceptor can be prevented from peeling off, and better crystal growth can be performed easily and inexpensively.
また、例えば、前記結晶成長方法は、前記第一ガス供給管の前記原料ガスの吹き出し口と前記基板の前記結晶成長を行う側の表面とが、300mmよりも短い所定の距離で配設されていてもよい。 Further, for example, in the crystal growth method, the source gas blow-out port of the first gas supply pipe and the surface of the substrate on the side where the crystal growth is performed are arranged at a predetermined distance shorter than 300 mm. May be.
上記構成によれば、第一ガス供給管が加熱されて第一ガス供給管へのGaN系反応生成物の付着を低減させることができ、第一ガス供給管の交換頻度を低減することができるとともに、第一ガス供給管に付着したGaN系反応生成物による基板上に生成される結晶への影響を低減して、結晶性を向上させることができ、また、結晶成長させるGaN系膜の膜厚や特性に応じて、第一ガス供給管の吹き出し口と基板の結晶成長面との距離を適宜設定して、レイアウトの自由度を向上させることができる。 According to the above configuration, it is possible that the first gas supply pipe can be reduced deposition of GaN-based reaction product of the first gas supply pipe is heated, reducing the frequency of replacement of the first gas supply pipe At the same time, it is possible to improve the crystallinity by reducing the influence of the GaN-based reaction product adhering to the first gas supply pipe on the crystal generated on the substrate, and to grow the GaN-based film. depending on the thickness and characteristics, the distance between the outlet and the crystal growth surface of the substrate of the first gas supply pipe appropriately set, it is possible to improve the freedom of layout.
本発明の結晶製造装置によれば、反応に直接寄与しない第二のガスを噴射する第二ガス供給管を、基板の結晶成長を行う側の表面に対向する方向に向いた状態で、かつ、当該基板の外周よりも外側の位置に向かって第二のガスを噴射する状態で配設しているので、第二ガス供給管から噴射された第二のガスで第一ガス供給管から基板に噴射された原料ガスの広がりを抑制して、より一層原料ガスを基板の結晶成長面に適切に供給することができ、簡単な構成でより一層良好な結晶成長を行うことができるとともに、反応容器の内壁への反応生成物の付着を抑制して、反応容器の洗浄頻度を減少させることができ、利用性を向上させることができる。 According to the crystal manufacturing apparatus of the present invention, the second gas supply pipe that injects the second gas that does not directly contribute to the reaction is in a state facing the surface on the side on which the crystal growth of the substrate is performed, and Since the second gas is disposed in a state of being ejected toward a position outside the outer periphery of the substrate, the second gas ejected from the second gas supply tube causes the first gas supply tube to travel to the substrate. While suppressing the spread of the injected source gas, the source gas can be appropriately supplied to the crystal growth surface of the substrate, and even better crystal growth can be performed with a simple configuration. The reaction product can be prevented from adhering to the inner wall, the frequency of washing the reaction vessel can be reduced, and the usability can be improved.
さらに、反応に直接寄与しない第三のガスを反応容器内に導入するガス導入管を、第一ガス供給管を中心として当該第一ガス供給管の径方向外方の位置に配設するとともに、そのガスの吹き出し口が基板の結晶成長を行う側の表面に対向する方向から第一ガス供給管の吹き出し口よりも基板側に延在して、当該基板の結晶成長を行う側の表面の略同じ位置であって径方向外方の位置まで延在して配設しているので、ガス導入管から噴射された第三のガスで第一ガス供給管から基板に噴射された原料ガスの広がりをより一層抑制して、より一層原料ガスを基板の結晶成長面に適切に供給することができ、簡単な構成でより少ない原料ガスでより一層良好な結晶成長を行うことができるとともに、反応容器の内壁への反応生成物の付着をより一層抑制して、反応容器の洗浄頻度を減少させることができ、利用性を向上させることができる。 Furthermore, a gas inlet tube for introducing a third gas which does not contribute directly to the reaction in the reaction vessel, as well as a location disposed radially outward of the first gas supply pipe around the first gas supply pipe, The gas blowing port extends from the direction facing the surface of the substrate on which crystal growth is performed to the substrate side rather than the blowing port of the first gas supply pipe, and is an abbreviation of the surface of the substrate on which crystal growth is performed. Since it is arranged to extend to the radially outer position at the same position, the spread of the source gas injected from the first gas supply pipe to the substrate by the third gas injected from the gas introduction pipe In addition, the source gas can be appropriately supplied to the crystal growth surface of the substrate, and the crystal can be further improved with a simple configuration and with less source gas. Of reaction products on the inner wall Won, the cleaning frequency of the reaction vessel can be reduced, thereby improving the usability.
本発明の結晶製造方法によれば、基板の加熱による熱対流により基板の結晶成長表面への原料ガスの到達が阻害されることを防止することができ、簡単かつ安価に良好な結晶成長を行うことができる。 According to the crystal manufacturing method of the present invention, it is possible to prevent the arrival of the source gas to the crystal growth surface of the substrate due to thermal convection by heating the substrate, and to perform good crystal growth easily and inexpensively. be able to.
また、反応に直接寄与しない第二のガスを噴射する第二ガス供給管を、基板の結晶成長を行う側の表面に対向する方向に向いた状態で、かつ、当該基板の外周よりも外側の位置に向かって第二のガスを噴射する状態で配設しているので、第二ガス供給管から噴射された第二のガスで第一ガス供給管から基板に噴射された原料ガスの広がりを抑制して、より一層原料ガスを基板の結晶成長面に適切に供給することができ、簡単な構成でより一層良好な結晶成長を行うことができるとともに、反応容器の内壁への反応生成物の付着を抑制して、反応容器の洗浄頻度を減少させることができ、利用性を向上させることができる。 Further, the second gas supply pipe for injecting the second gas that does not directly contribute to the reaction is oriented in a direction facing the surface on the side of crystal growth of the substrate and outside the outer periphery of the substrate. Since the second gas is injected toward the position, the second gas injected from the second gas supply pipe spreads the source gas injected from the first gas supply pipe onto the substrate. In addition, it is possible to appropriately supply the source gas to the crystal growth surface of the substrate, and to achieve better crystal growth with a simple configuration, and the reaction product on the inner wall of the reaction vessel Adhesion can be suppressed, the frequency of washing the reaction container can be reduced, and usability can be improved.
さらに、反応に直接寄与しない第三のガスを反応容器内に導入するガス導入管を、第一ガス供給管を中心として当該第一ガス供給管の径方向外方の位置に配設するとともに、そのガスの吹き出し口が基板の結晶成長を行う側の表面に対向する方向から第一ガス供給管の吹き出し口よりも基板側に延在して、当該基板の結晶成長を行う側の表面の略同じ位置であって径方向外方の位置まで延在して配設しているので、ガス導入管から噴射された第三のガスで第一ガス供給管から基板に噴射された原料ガスの広がりをより一層抑制して、より一層原料ガスを基板の結晶成長面に適切に供給することができ、簡単な構成でより少ない原料ガスでより一層良好な結晶成長を行うことができるとともに、反応容器の内壁への反応生成物の付着をより一層抑制して、反応容器の洗浄頻度を減少させることができ、利用性を向上させることができる。 Furthermore, a gas inlet tube for introducing a third gas which does not contribute directly to the reaction in the reaction vessel, as well as a location disposed radially outward of the first gas supply pipe around the first gas supply pipe, The gas blowing port extends from the direction facing the surface of the substrate on which crystal growth is performed to the substrate side rather than the blowing port of the first gas supply pipe, and is an abbreviation of the surface of the substrate on which crystal growth is performed. Since it is arranged to extend to the radially outer position at the same position, the spread of the source gas injected from the first gas supply pipe to the substrate by the third gas injected from the gas introduction pipe In addition, the source gas can be appropriately supplied to the crystal growth surface of the substrate, and the crystal can be further improved with a simple configuration and with less source gas. Of reaction products on the inner wall Won, the cleaning frequency of the reaction vessel can be reduced, thereby improving the usability.
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な実施の形態であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below are preferred embodiments of the present invention, and thus various technically preferable limitations are given. However, the scope of the present invention is particularly limited in the following description. As long as there is no description which limits, it is not restricted to these aspects.
図1は、本発明の結晶成長装置及び結晶成長方法の第1の実施の形態を示す図であり、図1は、本発明の結晶成長装置及び結晶成長方法の第1の実施の形態を適用した結晶成長装置の反応ガスの流れに対して略平行な面から見た正面概略構成図である。 FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of the crystal growth apparatus and crystal growth method of the present invention, and FIG. 1 applies the first embodiment of the crystal growth apparatus and crystal growth method of the present invention. It is the front schematic block diagram seen from the surface substantially parallel with respect to the flow of the reaction gas of the crystal growth apparatus.
本実施の形態は、結晶成長面を下方向に向けた状態で基板を配設して、この基板の結晶成長面の下方に配設されたガス供給管から原料ガスを基板の結晶成長面に向けて噴射させて、良質なGaN系半導体結晶膜を成長させるものである。 In this embodiment, the substrate is disposed with the crystal growth surface facing downward, and the source gas is supplied from the gas supply pipe disposed below the crystal growth surface of the substrate to the crystal growth surface of the substrate. The GaN-based semiconductor crystal film is grown by spraying toward the surface .
図1において、結晶成長装置20は、略円筒形の反応容器21を備えており、反応容器21は、その上端が、図示しないが上側フランジ等により閉止され、その下端が、図示しない下側フランジにより閉止されて、外部大気雰囲気と遮断された密閉空間に形成されている。
In FIG. 1, a
反応容器21内には、上側フランジに密接しつつ上側フランジを貫通するとともに、図1の上下方向に所定量移動可能なサセプターロッド22が挿入されており、サセプターロッド22の下側先端部には、石英製のサセプターカバー23を介して加熱源となるサセプター24が取り付けられている。サセプターカバー23の上側には、サセプターロッド22の貫通する孔の形成された連通管25が配設されている。
A
サセプター24は、図1において上下面が平面状に形成された柱状、例えば、円柱形状に形成されており、カーボンで形成されて、その表面がSiC(炭化珪素)でコーティングされている。図1において、サセプター24の下面には、結晶成長用の基板26が取り付けられており、基板26は、サセプター24の外周面と下面の一部を覆う状態で配設された略筒状、例えば、円筒形状のサセプターホルダ27によりサセプター24の下面に密着されるとともに、その結晶成長面(結晶成長を行う側の表面)を下側に向けた状態で、かつ、サセプター24の自重でサセプター24とサセプターホルダ27の下側の保持部27aとの間に狭持された状態でサセプター24の下面に取り付けられている。すなわち、基板26は、結晶成長装置20の反応容器21が垂直方向に配設されている場合、重力方向である垂直方向下方とは反対方向のベクトルに対して結晶成長面が対向する状態で配設されている。
The
基板26は、サセプターロッド22が上下方向に移動されることにより、反応容器21内の任意の位置に設置される。
The
結晶成長装置20は、反応容器21の下端を閉止する下側フランジを貫通して、反応容器21内に所定量侵入する状態でガス供給管28が配設されており、ガス供給管28はその噴射口が基板26の結晶成長面に対して略垂直方向に向いた状態で配設されている。すなわち、ガス供給管28は、その噴射口が基板26の結晶成長面の概ね中心の真下に位置して、基板26の結晶成長面に略垂直に対向する状態で、かつ、上方を向いた状態で配設されている。
The
結晶成長装置20は、反応容器21の外部に、サセプター24の外部を覆う状態で誘導加熱用コイル29が配設されており、誘導加熱用コイル29は、図示しない電源から高周波電流が流されることにより、基板26の加熱源となるサセプター24内部に渦電流を発生させて、サセプター24の下面に取り付けられている基板26を所定の高温度に加熱する。
In the
上記ガス供給管28からは、基板26上に結晶成長を行わせるための原料ガスであるTMG、TMA、TMI、アンモニア、水素、窒素が供給され、基板26表面には、後述するように、この原料ガスにより、GaN、AlN、InNあるいはそれらの混晶が成長する。
From the
次に、本実施の形態の作用を説明する。結晶成長装置20は、サセプターホルダ27の保持部27a上に基板26を載せ、サセプターホルダ27内にサセプター24を挿入することにより、サセプター24の自重でサセプターホルダ27の保持部27aとサセプター24との間に、結晶成長面を下方向に向けた状態で基板26を狭持する。
Next, the operation of the present embodiment will be described. The
この基板25を保持しサセプター24の収納されているサセプターホルダ27にサセプターロッド22の連結されたサセプターカバ24及び連結管26を取り付けて、サセプターロッド22の貫通する上側フランジを反応容器21の上端に取り付け、反応容器21の上端を閉止する。
The
また、反応容器21の下端に、ガス供給管28の取り付けられた下側フランジを取り付けて、反応容器21の下端を閉止する。
Further, a lower flange to which the
次に、サセプターロッド22を上下移動させて、ガス供給管28と基板26との位置調整を行った後、反応容器21内の空気を排気して、反応容器21内を結晶成長の反応に直接寄与しない窒素ガスと水素ガスで置換する。
Next, the
したがって、基板26は、重力とは反対方向のベクトルに対してその結晶成長面が対向する状態で配設されており、ガス供給管28は、その噴射口が基板26の結晶成長面の中心の真下に位置して、基板26の結晶成長面に対して略垂直に対向する状態で、かつ、上方を向いた状態で配設されている。
Therefore, the
その後、結晶成長装置20は、誘導加熱用コイル29に通電し、渦電流をサセプター24に発生させて、基板26を所定の高温度に加熱する。
Thereafter, the
この状態で、結晶成長装置20は、ガス供給管28から原料ガスであるTMG、TMA、TMI、アンモニア、水素、窒素が供給されると、基板26の結晶成長面でGaN、AlN、InNあるいはこれらの混晶が成長する。
In this state, when the source gases TMG, TMA, TMI, ammonia, hydrogen, and nitrogen are supplied from the
このとき、ガス供給管28の噴射口から噴射される原料ガスの温度は、基板26やサセプター24あるいはサセプターホルダ27付近の温度に比較して低いため、ガス供給管28から基板26方向に噴射された原料ガスは、基板26の表面で熱せられて熱対流が発生するが、基板26がその結晶成長面を下方向に向けて配設され、ガス供給管28が基板26の下方から結晶成長面に向かって原料ガスを噴射する状態で配設されているため、この原料ガスの熱対流は、基板26の中心から径方向に向かって外側に流れることとなる。
At this time, the temperature of the raw material gas injected from the injection port of the
したがって、基板26の表面には、ガス供給管28から基板26の結晶成長面に向かって噴射された新鮮な原料ガスが常に供給され、従来のように、結晶成長装置20を複雑で高価な構成とすることなく、簡単な構成で、かつ、安価な結晶成長装置20で、良質なGaN系半導体結晶膜を基板26表面に成長させることができる。
Therefore, fresh raw material gas injected from the
また、ガス供給管28の噴射口と基板26との間の距離を、従来よりも広くすることができ、基板26の表面に広範囲にわたって良質なGaN、AlN、InNあるいはこれらの混晶半導体結晶膜を成長させることができる。
In addition, the distance between the injection port of the
なお、本実施の形態においては、原料ガスとして、TMG、TMA、TMI、アンモニア、水素、窒素を用いているが、GaN系材料を結晶成長させることができる原料ガスであれば、これら以外のものについても、同様に適用することができる。 In the present embodiment, TMG, TMA, TMI, ammonia, hydrogen, and nitrogen are used as source gases. However, any source gas that can grow a GaN-based crystal can be used. The same applies to.
また、結晶成長装置20の反応容器21内の部品の材料については、上記説明した機能を果たすものであれば、上記のものに限るものではない。
In addition, the material of the components in the
図2は、本発明の結晶成長装置及び結晶成長方法の第2の実施の形態を示す図であり、図2は、本発明の結晶成長装置及び結晶成長方法の第2の実施の形態を適用した結晶成長装置による結晶成長工程を示す図である。 FIG. 2 is a diagram showing a second embodiment of the crystal growth apparatus and the crystal growth method of the present invention, and FIG. 2 applies the second embodiment of the crystal growth apparatus and the crystal growth method of the present invention. It is a figure which shows the crystal growth process by the manufactured crystal growth apparatus.
本実施の形態は、結晶成長工程で基板の加熱温度が700℃以上となる工程を少なくとも一工程行うものである。 In the present embodiment, at least one step of heating the substrate to 700 ° C. or higher is performed in the crystal growth step .
なお、本実施の形態は、上記第1の実施の形態で用いた結晶成長装置20を用いて結晶成長を行うものであり、本実施の形態の説明においては、上記第1の実施の形態で用いた符号をそのまま用いて、以下説明する。
In the present embodiment, crystal growth is performed using the
図1に示した結晶成長装置20を用いてGaN膜の結晶成長を行う場合、図2に示すような温度シーケンスを伴う結晶成長工程処理を行う。なお、図2は、横軸を時間軸に、縦軸を温度として時間の経過に伴って各処理工程での温度を示している。
When crystal growth of a GaN film is performed using the
結晶成長装置20は、サセプター24に保持された基板26が反応容器21内に位置調整されてセットされると、まず、水素雰囲気で基板26の温度を室温から1100℃まで昇温させる昇温工程処理S1を行い、その後、水素雰囲気中で基板26を1100℃で熱処理してクリーニングする高温熱処理工程処理S2を行う。
When the
次に、結晶成長装置20は、1100℃まで昇温された基板26を500℃まで低下させる降温工程処理S3を行って、低温バッファ層成長工程処理S4を行い、低温でGaN層を成長させる。
Next, the
次に、結晶成長装置20は、基板26の温度を1050℃まで上昇させる昇温工程処理S5を行って、この1050℃で高温GaN膜を成長させる成長工程処理S6を行い、最後に降温工程処理S7を行って、室温まで基板26を冷却する。
Next, the
このように、結晶成長工程で、700℃以上となる工程処理を少なくとも1工程設けると、従来のように、結晶成長装置20を複雑で高価な構成とすることなく、簡単な構成で、かつ、安価な結晶成長装置20で、より一層良質なGaN系半導体結晶膜を基板26表面に成長させることができる。
As described above, when at least one process step of 700 ° C. or higher is provided in the crystal growth process, the
上記各工程処理を行って結晶成長を行うと、700℃以上の温度での各工程処理においては、基板26の結晶成長面での熱対流が700℃以下の場合よりも顕著に発生するが、基板26の結晶成長面とガス供給管28の噴射口との位置関係を適切に設定することにより、700℃以上の高温においても、安定的に新鮮な原料ガスを基板26の結晶成長面に供給することができる。
When crystal growth is performed by performing each of the above process steps, in each step process at a temperature of 700 ° C. or higher, thermal convection on the crystal growth surface of the
なお、上記成長工程以外についても、GaN系結晶成長を行う場合に、700℃以上の高温工程を経るものについて、同様に適用することができる。 In addition to the above growth process, when GaN-based crystal growth is performed, the process can be similarly applied to a process that undergoes a high-temperature process of 700 ° C. or higher.
また、本実施の形態については、高温GaN膜を成長させる成長工程処理S6について700℃以上の高温処理を行うようにしているが、GaN膜以外であっても、その機能を満たすことが可能な材料であれば、適宜適用することができる。 In the present embodiment, the growth process S6 for growing the high-temperature GaN film is performed at a high temperature of 700 ° C. or more. However, the function can be satisfied even if it is other than the GaN film. Any material can be applied as appropriate.
図3は、本発明の結晶成長装置及び結晶成長方法の第3の実施の形態を示す図であり、図3は、本発明の結晶成長装置及び結晶成長方法の第3の実施の形態を適用した結晶成長装置の反応ガスの流れに対して略平行な面から見た正面概略構成図である。 FIG. 3 is a diagram showing a third embodiment of the crystal growth apparatus and crystal growth method of the present invention, and FIG. 3 applies the third embodiment of the crystal growth apparatus and crystal growth method of the present invention. It is the front schematic block diagram seen from the surface substantially parallel with respect to the flow of the reaction gas of the crystal growth apparatus.
本実施の形態は、基板の加熱源からの輻射熱を散乱、吸収、反射するカバーで、基板の結晶成長面以外の部分を覆ったものである。 In the present embodiment, a cover other than the crystal growth surface of the substrate is covered with a cover that scatters, absorbs, and reflects radiant heat from the heating source of the substrate .
なお、本実施の形態は、上記第1の実施の形態で用いた結晶成長装置20と同様の結晶成長装置に適用したものであり、本実施の形態の説明においては、第1の実施の形態の結晶成長装置20と同様の構成部分には、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
The present embodiment is applied to a crystal growth apparatus similar to the
図3において、結晶成長装置30は、その表面がSiCでコーティングされたカーボン製のサセプター24とサセプターホルダ31の保持部31aにより結晶成長面を下向きにして基板26を狭持する状態で基板26を保持しており、サセプターホルダ31は、不透明な石英により形成されている。また、サセプター24の上部には、不透明な石英で形成されたサセプターカバー32が配設されており、サセプターカバー32には、サセプターロッド22の下側先端部が取り付けられている。
In FIG. 3, the
すなわち、基板26は、加熱源であるサセプター24に結晶成長面と反対側の面が密着されているとともに、その結晶成長面以外の面が加熱源であるサセプター24とともに不透明な石英で形成されたサセプターホルダ31及びサセプターカバー32をカバーとして覆われた状態となっており、不透明な石英は、加熱源であるサセプター24からの輻射熱を効率的に散乱、吸収及び反射する。
That is, the
本実施の形態の結晶成長装置20を用いて結晶成長を行う際、誘導加熱用コイル29に高周波電流を流して、基板26の加熱源となるサセプター24内部に渦電流を発生させて、サセプター24の下面に取り付けられている基板26を所定の高温度に加熱し、基板26の結晶成長面の下方に配設されたガス供給管28から基板26の結晶成長面に向かって原料ガスを噴射する。噴射された原料ガスは、基板26の結晶成長面で熱せられて温度上昇するが、原料ガスは、上方が基板26で遮られているため、基板26の中心から基板26の径方向に結晶成長面に沿って流れることとなり、常に新鮮な原料ガスが基板26の結晶成長面に供給される。
When crystal growth is performed using the
特に、基板6及び加熱源であるサセプター24は、不透明な石英で形成されたカバーとしてのサセプターホルダ31及びサセプターカバー32により覆われており、加熱源であるサセプター24からの輻射熱がサセプターホルダ31及びサセプターカバー32により散乱、吸収及び反射されて、サセプターホルダ31及びサセプターカバー32の外側の温度の上昇を抑制することができる。したがって、ガス供給管28から基板26の結晶成長面に噴射された原料ガスの熱対流を小さく抑制することができ、原料ガスの基板26の結晶成長面への供給効率を向上させることができる。その結果、良質なGaN系半導体結晶膜をより一層効率的に基板26表面に成長させることができる。
In particular, the substrate 6 and the
また、結晶成長を行う際、サセプターホルダ31及びサセプターカバー32の外表面に副次的にGaN系の膜が付着するが、サセプターホルダ31及びサセプターカバー32を不透明な石英で形成しているため、サセプターホルダ31及びサセプターカバー32自体の温度上昇を抑制することができ、この膜の付着量を抑制することができる。
Further, when crystal growth is performed, a GaN-based film is attached to the outer surfaces of the
したがって、サセプターホルダ31及びサセプターカバー32に付着したGaN系膜の付着量が多くなって剥がれて基板26の結晶成長面へ飛散することによる結晶成長品質の低下、歩留まりの低下を抑制することができるとともに、このような結晶品質の低下や歩留まりの低下を防止するために行う結晶成長装置30内(反応容器21内)の清掃の頻度を減らすことができ、結晶成長品質を向上させつつ、結晶成長装置30の利用効率を向上させることができる。
Therefore, the GaN-based film attached to the
なお、本実施の形態においては、原料ガスとして、TMG、TMA、TMI、アンモニア、水素、窒素を用いているが、GaN系材料を結晶成長させることができる原料ガスであれば、これら以外のものについても、同様に適用することができる。 In the present embodiment, TMG, TMA, TMI, ammonia, hydrogen, and nitrogen are used as source gases. However, any source gas that can grow a GaN-based crystal can be used. The same applies to.
また、結晶成長装置30の反応容器21内の部品の材料については、上記説明した機能を果たすものであれば、上記のものに限るものではない。
Further, the material of the components in the
図4は、本発明の結晶成長装置及び結晶成長方法の第4の実施の形態を示す図であり、図4は、本発明の結晶成長装置及び結晶成長方法の第4の実施の形態を適用した結晶成長装置のサセプターホルダの正面図である。 FIG. 4 is a diagram showing a fourth embodiment of the crystal growth apparatus and crystal growth method of the present invention, and FIG. 4 applies the fourth embodiment of the crystal growth apparatus and crystal growth method of the present invention. It is a front view of the susceptor holder of the crystal growth apparatus.
本実施の形態は、サセプターホルダの外表面を非鏡面としたものである。 In the present embodiment, the outer surface of the susceptor holder is a non-mirror surface .
図4において、サセプターホルダ40は、石英により略円筒形状に形成されており、加工形成後に、熱歪を軽減するために高温でアニールが行われている。通常アニールを行った石英表面は、鏡面状態となっているため、サセプターホルダ40は、このアニールを行った後で、外表面に切削加工を行い、微小の凹凸を多数形成して、外表面を非鏡面状態としている。
In FIG. 4, the
この非鏡面状態の外表面を有したサセプターホルダ40を使用して、図1に示した結晶成長装置20を用いて、第1の実施の形態あるいは第2の実施の形態と同様に結晶成長させると、結晶成長に伴ってサセプターホルダ40の外表面にGaN系材料の膜41が付着するが、サセプターホルダ40の外表面に付着した膜41の剥がれを抑制して、結晶成長品質の向上及び結晶成長装置の利用効率の向上を図ることができる。
Using this
すなわち、従来は、図5に示すように、サセプターホルダ42を石英で形成する場合には、高温でアニールしたものをそのまま使用しているため、上述のように、その外表面が鏡面状態となっている。この鏡面状態のサセプターホルダ42を用いて基板への結晶成長を行うと、結晶成長に伴ってサセプターホルダ42の外表面に膜43が付着し、結晶成長の回数を重ねるうちに、膜43の膜厚が厚くなるとともに、結晶成長工程で生じるサセプターホルダ42の温度の上下変動により、サセプターホルダ42の外表面に付着した膜43の一部43aが剥がれる膜剥がれが生じる。剥がれた膜43aは、反応容器内に供給される原料ガスや当該原料ガスの熱対流によって舞い上げられて、基板の結晶成長面に付着することがある。このように剥がれた膜43aが基板の結晶成長面に付着すると、基板に形成された結晶膜の欠陥が増大して、結晶成長基板の歩留まりが低下する。そのため、従来の結晶成長装置では、膜剥がれが生じる程度にサセプターホルダ42に膜43が付着すると、サセプターホルダ42を洗浄して、サセプターホルダ42の外表面から膜43を取り除くことが行われている。
That is, conventionally, as shown in FIG. 5, when the susceptor holder 42 is formed of quartz, since the one annealed at a high temperature is used as it is, the outer surface thereof is in a mirror state as described above. ing. When crystal growth is performed on the substrate using the susceptor holder 42 in the mirror state, the
ところが、本実施の形態のサセプターホルダ40は、上述のように、切削加工等によりその外表面に凹凸が形成されて非鏡面状態となっている。したがって、結晶成長時にサセプターホルダ40の外表面に付着した膜41が、より強固な付着力を持ってサセプターホルダ40に付着することとなり、結晶成長時にサセプターホルダ40の外表面から剥がれることを抑制することができる。
However, as described above, the
なお、本出願人の実験によると、外表面を切削加工して非鏡面とした石英製のサセプターホルダ40を使用して結晶成長を行ったところ、1200℃程度の高温で使用しても、クラックの発生等の問題は発生せず、外表面が鏡面である従来のサセプターホルダ42を使用した場合と比較して、1つのサセプターホルダ40で洗浄を行うことなく結晶成長することのできる回数が、大幅に増大した。
According to the applicant's experiment, when the crystal growth was performed using a
その結果、結晶成長品質及び結晶成長装置の利用効率をより一層向上させることができる。 As a result, the crystal growth quality and the utilization efficiency of the crystal growth apparatus can be further improved.
なお、本実施の形態においては、サセプターホルダ40として透明の石英を使用してその外表面を非鏡面状態としているが、上記第3の実施の形態で説明したように、不透明な石英を使用して、その外表面を非鏡面状態としたサセプターホルダを用いてもよい。この場合には、上記第3の実施の形態の作用効果をより一層向上させることができる。すなわち、不透明な石英製のサセプターホルダの外表面を非鏡面状態とすると、サセプターからの輻射を外表面の凹凸でさらに低減することができ、サセプターホルダの外部の温度をより一層低減して、良質なGaN系半導体結晶膜を基板表面により一層効率的に成長させることができる。
In the present embodiment, transparent quartz is used as the
図6は、本発明の結晶成長装置及び結晶成長方法の第5の実施の形態を示す図であり、図6は、本発明の結晶成長装置及び結晶成長方法の第5の実施の形態を適用した結晶成長装置の反応ガスの流れに対して略平行な面から見た正面概略構成図である。 FIG. 6 is a diagram showing a fifth embodiment of the crystal growth apparatus and the crystal growth method of the present invention, and FIG. 6 applies the fifth embodiment of the crystal growth apparatus and the crystal growth method of the present invention. It is the front schematic block diagram seen from the surface substantially parallel with respect to the flow of the reaction gas of the crystal growth apparatus.
本実施の形態は、基板の結晶成長表面とガス供給管の噴射口との距離を300mm以下に設定したものである。 In the present embodiment, the distance between the crystal growth surface of the substrate and the injection port of the gas supply pipe is set to 300 mm or less .
なお、本実施の形態は、上記第1の実施の形態で用いた結晶成長装置20と同様の結晶成長装置に適用したものであり、本実施の形態の説明においては、第1の実施の形態の結晶成長装置20と同様の構成部分には、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
The present embodiment is applied to a crystal growth apparatus similar to the
図6において、結晶成長装置50は、基板26を、サセプター24とサセプターホルダ27の保持部27aにより結晶成長面を下向きにした状態で保持し、サセプター24の上部には、サセプターロッド22の下側先端部に取り付けられたサセプターカバー32が配設されている。サセプターカバー23の上側には、サセプターロッド22の貫通する孔の形成された連通管25が配設されており、サセプターロッド22は、反応容器21の図示しない上側フランジに密接しつつ上側フランジを貫通するとともに、図6の上下方向に所定量移動可能となっている。
In FIG. 6, the
結晶成長装置50は、反応容器21の下端を閉止する下側フランジを貫通して、反応容器21内に所定量侵入する状態でガス供給管28が配設されており、ガス供給管28はその噴射口28aが基板26の結晶成長面に対して略垂直方向に向いた状態で配設されている。すなわち、ガス供給管28は、その噴射口28aが基板26の結晶成長面の中心の真下に位置して、基板26の結晶成長面に略垂直に対向する状態で、かつ、上方を向いた状態で配設されている。
The
そして、基板26は、サセプターロッド22を上下方向に移動させることにより、サセプター24とサセプターホルダ24に保持されている基板26を上下方向に移動して、ガス供給管28の噴射口28aとの位置を任意に設定可能となっており、本実施の形態の結晶成長装置50では、この基板26の結晶成長面とガス供給管28の噴射口28との距離dを200mmに設定している。
And the board |
この結晶成長装置50を使用して結晶成長を行う場合、基板26を結晶成長面を下方に向けた状態でサセプター24とサセプターホルダ27により保持させた後、サセプターロッド22の取り付けられたサセプターカバー23を取り付けて反応容器21内に挿入し、サセプターロッド22を上下方向に移動させて、ガス供給管28の噴射口28aとの距離dを200mmに設定した状態で配置させる。
When crystal growth is performed using the
次に、基板26を誘導加熱用コイル29によりサセプター24に渦電流を発生させてサセプター24を加熱源として基板26を加熱し、ガス供給管28から原料ガスであるTMG、TMA、TMI、アンモニア、水素、窒素を基板26に向かって噴射する。
Next, an eddy current is generated in the
ガス供給管28から噴射されるガスの温度は、基板26やサセプター24あるいはサセプターホルダ27付近の温度に比較して低いため、基板26の表面で熱せられて熱対流が発生する。ところが、この原料ガスの熱対流は、基板26がその結晶成長面を下方向に向けて配設され、ガス供給管28が基板26の下方から結晶成長面に向かって原料ガスを噴射する状態で配設されているため、基板26の中心から径方向に向かって外側に流れることとなり、基板26の結晶成長表面に常に新鮮な原料ガスを供給することができる。
Since the temperature of the gas injected from the
特に、ガス供給管28の噴射口28aと基板26の結晶成長表面との距離dを200mmという従来技術の数mmに比較して大幅に長く設定しているが、上述のように、ガス供給管28から基板26に噴射した原料ガスを、熱対流の影響を受けることなく、基板26の結晶成長面に適切に供給することができる。
In particular, although the distance d between the injection port 28a of the
したがって、簡単な構成で、かつ、安価な結晶成長装置50で、表面モフォロジーが鏡面である良質な結晶性を有するGaN系半導体結晶膜を基板26表面に成長させることができる。
Therefore, a GaN-based semiconductor crystal film having a good crystallinity with a surface morphology of a mirror surface can be grown on the surface of the
また、ガス供給管28の噴射口28aと基板26の結晶成長面との距離dを200mmと長くしているため、ガス供給管28の温度上昇を抑制することができ、従来問題となっていたガス供給管28への生成物の付着を防止することができる。その結果、基板26に生成されるGaN系半導体結晶膜の結晶性をより一層向上させることができる。
Further, since the distance d between the injection port 28a of the
なお、本実施の形態においては、原料ガスとして、TMG、TMA、TMI、アンモニア、水素、窒素を用いているが、GaN系材料を結晶成長させることができる原料ガスであれば、これら以外のものについても、同様に適用することができる。 In the present embodiment, TMG, TMA, TMI, ammonia, hydrogen, and nitrogen are used as source gases. However, any source gas that can grow a GaN-based crystal can be used. The same applies to.
また、結晶成長装置50の反応容器21内の部品の材料については、上記説明した機能を果たすものであれば、上記のものに限るものではない。
In addition, the material of the components in the
さらに、本実施の形態においては、ガス供給管28の噴射口28aと基板26の結晶成長面との距離dを200mmに設定しているが、200mmに限るものではなく、300mm以下であれば、良好な結晶性を得ることができる。なお、ガス供給管28の噴射口28aと基板26の結晶成長面との距離dは、短くなるほどGaN系結晶膜の成長速度が大きくなり、この距離dが長くなればなるほど膜厚分布が小さくなる。したがって、生成する結晶膜の用途に応じて、ガス供給管28の噴射口28aと基板26の結晶成長面との距離dを適宜設定することができ、GaN系材料の結晶成長における結晶の成長条件や結晶成長装置50のレイアウトのマージンを大きくすることができる。
Furthermore, in the present embodiment, the distance d between the injection port 28a of the
図7は、本発明の結晶成長装置及び結晶成長方法の第6の実施の形態を示す図であり、図7は、本発明の結晶成長装置及び結晶成長方法の第6の実施の形態を適用した結晶成長装置の反応ガスの流れに対して略平行な面から見た正面概略構成図である。 FIG. 7 is a diagram showing a sixth embodiment of the crystal growth apparatus and the crystal growth method of the present invention, and FIG. 7 applies the sixth embodiment of the crystal growth apparatus and the crystal growth method of the present invention. It is the front schematic block diagram seen from the surface substantially parallel with respect to the flow of the reaction gas of the crystal growth apparatus.
本実施の形態は、反応に直接寄与しないガスを基板に向かって基板の周囲方向に噴射さ
せる第二ガス供給管を設けたものである。
In the present embodiment, a second gas supply pipe is provided for injecting a gas that does not directly contribute to the reaction toward the substrate in the circumferential direction of the substrate .
なお、本実施の形態は、上記第1の実施の形態で用いた結晶成長装置20と同様の結晶成長装置に適用したものであり、本実施の形態の説明においては、第1の実施の形態の結晶成長装置20と同様の構成部分には、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
The present embodiment is applied to a crystal growth apparatus similar to the
図7において、結晶成長装置60は、基板26を、サセプター24とサセプターホルダ27の保持部27aにより結晶成長面を下向きにした状態で保持し、サセプター24の上部には、サセプターロッド22の下側先端部に取り付けられたサセプターカバー32が配設されている。サセプターカバー23の上側には、サセプターロッド22の貫通する孔の形成された連通管25が配設されており、サセプターロッド22は、反応容器21の図示しない上側フランジに密接しつつ上側フランジを貫通するとともに、図7の上下方向に所定量移動可能となっている。
In FIG. 7, the
結晶成長装置60は、反応容器21の下端を閉止する下側フランジ61を貫通して、反応容器21内に所定量侵入する状態で原料ガスを噴射するガス供給管28が配設されており、ガス供給管28はその噴射口が基板26の結晶成長面に対して略垂直方向に向いた状態で配設されている。すなわち、ガス供給管28は、その噴射口28aが基板26の結晶成長面の中心の真下に位置して、基板26の結晶成長面に略垂直に対向する状態で、かつ、上方を向いた状態で配設されている。
The
また、結晶成長装置60は、ガス供給管28と所定間隔空けた状態で下側フランジ61を貫通して、反応容器21内に所定量侵入する補助ガス供給管62が配設されており、補助ガス供給管62は、反応容器21内のガス供給管28の長さよりも所定長さ短く形成されている。この補助ガス供給管62からは、基板26の外周部分に向かって、反応には直接寄与しないガス、例えば、窒素ガスや水素ガスが噴射される。
In addition, the
そして、基板26は、上述のように、サセプターロッド22が上下方向に移動されることにより、反応容器21内の任意の位置に設置され、ガス供給管28との距離が設定可能となっている。
Then, as described above, the
この結晶成長装置60を使用して結晶成長を行う場合、基板26を誘導加熱用コイル29によりサセプター24に渦電流を発生させてサセプター24を加熱源として基板26を加熱し、ガス供給管28から原料ガスであるTMG、TMA、TMI、アンモニア、水素、窒素を基板26に向かって噴射する。
When crystal growth is performed using the
ガス供給管28から噴射されるガスの温度は、基板26やサセプター24あるいはサセプターホルダ27付近の温度に比較して低いため、基板26の表面で熱せられて熱対流が発生する。ところが、この原料ガスの熱対流は、基板26がその結晶成長面を下方向に向けて配設され、ガス供給管28が基板26の下方から結晶成長面に向かって原料ガスを噴射する状態で配設されているため、基板26の中心から径方向に向かって外側に流れることとなり、基板26の結晶成長表面に常に新鮮な原料ガスを供給することができる。
Since the temperature of the gas injected from the
また、補助ガス供給管62からは、ガス供給管28から基板26に向かって噴射された原料ガスの外側を取り巻くように、反応に直接寄与しない窒素ガスや水素ガスが噴射され、ガス供給管28から基板26の結晶成長面に向かって噴射された原料ガスの広がりを抑制して、基板26の結晶成長面への原料ガスの供給効率をより一層向上させることができる。
Further, nitrogen gas and hydrogen gas that do not directly contribute to the reaction are injected from the auxiliary
したがって、簡単な構成で、かつ、安価な結晶成長装置60で、より少ない原料ガスで良質なGaN系半導体結晶膜を基板26表面に成長させることができる。
Accordingly, a high-quality GaN-based semiconductor crystal film can be grown on the surface of the
また、補助ガス供給管62から噴射された反応に直接寄与しないガスが反応容器21の内壁とガス供給管28から噴射された原料ガスとの間を流れることとなり、補助ガス供給管62から噴射されたガスにより反応容器21の内壁付近の温度上昇が抑制されるとともに、反応容器21内壁付近で原料ガスが補助ガス供給管62から噴射されたガスにより薄められて、反応容器21の内壁へのGaN系材料膜の付着を低減することができる。
Further, a gas that does not directly contribute to the reaction injected from the auxiliary
したがって、反応容器21の内壁に付着した膜が厚くなって、膜剥がれが生じることによる結晶性の悪化や歩留まりの低下を防止することができ、この結晶性の悪化や歩留まりの低下を防止するために反応容器21を洗浄する回数を削減して、結晶成長装置60の利用効率を向上させることができる。
Therefore, the film adhering to the inner wall of the
さらに、結晶成長装置60は、補助ガス供給管62から噴射するガスの流量を調整することにより、ガス供給管28から噴射される原料ガスの広がりを制御することができ、基板26に成長させるGaN系結晶膜の膜厚や特性の均一性を容易に向上させることができる。
Furthermore, the
なお、本実施の形態においては、原料ガスとして、TMG、TMA、TMI、アンモニア、水素、窒素を用いているが、GaN系材料を結晶成長させることができる原料ガスであれば、これら以外のものについても、同様に適用することができる。 In the present embodiment, TMG, TMA, TMI, ammonia, hydrogen, and nitrogen are used as source gases. However, any source gas that can grow a GaN-based crystal can be used. The same applies to.
また、結晶成長装置60の反応容器21内の部品の材料については、上記説明した機能を果たすものであれば、上記のものに限るものではない。
In addition, the material of the components in the
さらに、補助ガス供給管62は、ガス供給管28よりも外側の位置であれば、その位置及び数は、任意に設定することができる。
Furthermore, as long as the auxiliary
図8は、本発明の結晶成長装置及び結晶成長方法の第7の実施の形態を示す図であり、図8は、本発明の結晶成長装置及び結晶成長方法の第7の実施の形態を適用した結晶成長装置の反応ガスの流れに対して略平行な面から見た正面概略構成図である。 FIG. 8 is a diagram showing a seventh embodiment of the crystal growth apparatus and crystal growth method of the present invention, and FIG. 8 applies the seventh embodiment of the crystal growth apparatus and crystal growth method of the present invention. It is the front schematic block diagram seen from the surface substantially parallel with respect to the flow of the reaction gas of the crystal growth apparatus.
本実施の形態は、反応に直接寄与しないガスを基板に向かって基板の周囲方向に噴射させる第二ガス供給管と基板の外周位置まで延在して配設されて反応に直接寄与しないガスを反応容器内に導入するガス導入管とを設けたもので、請求項1及び請求項2に対応するものである。
In the present embodiment, a gas that does not directly contribute to the reaction is disposed extending to the outer peripheral position of the substrate and the second gas supply pipe that injects a gas that does not directly contribute to the reaction toward the substrate. A gas introduction pipe to be introduced into the reaction vessel is provided and corresponds to
なお、本実施の形態は、上記第6の実施の形態の結晶成長装置60と同様の結晶成長装置に適用したものであり、本実施の形態の説明においては、第6の実施の形態の結晶成長装置60と同様の構成部分には、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
The present embodiment is applied to a crystal growth apparatus similar to the
図8において、結晶成長装置70は、基板26を、サセプター24とサセプターホルダ27の保持部27aにより結晶成長面を下向きにした状態で保持し、サセプター24の上部には、サセプターロッド22の下側先端部に取り付けられたサセプターカバー32が配設されている。サセプターカバー23の上側には、サセプターロッド22の貫通する孔の形成された連通管25が配設されており、サセプターロッド22は、反応容器21の図示しない上側フランジに密接しつつ上側フランジを貫通するとともに、図8の上下方向に所定量移動可能となっている。
In FIG. 8, the
結晶成長装置70は、反応容器21の下端を閉止する下側フランジ61を貫通して、反応容器21内に所定量侵入する状態でガス供給管28が配設されており、ガス供給管28はその噴射口28aが基板26の結晶成長面に対して略垂直方向に向いた状態で配設されている。すなわち、ガス供給管28は、その噴射口28aが基板26の結晶成長面の中心の真下に位置して、基板26の結晶成長面に略垂直に対向する状態で、かつ、上方を向いた状態で配設されている。
In the
また、結晶成長装置70は、ガス供給管28と所定間隔空けた状態で下側フランジ61を貫通して、反応容器21内に所定量侵入する補助ガス供給管62が配設されており、補助ガス供給管62は、反応容器21内のガス供給管28の長さよりも所定長さ短く形成されている。この補助ガス供給管62からは、基板26の外周部分に向かって、反応には直接寄与しないガス、例えば、窒素ガスや水素ガスが噴射される。
Further, the
さらに、結晶成長装置70は、ガス供給管28の周囲を取り囲む状態で下側フランジ61を貫通して、反応容器21内に所定量侵入するガス導入管71が配設されており、ガス導入管71は、その反応容器21内の先端部が先端ほどその径が広い円錐形状に形成されているとともに、その先端がガス供給管28の噴射口28aよりも基板26側に延在し、かつ、サセプター24に保持された基板26よりも多少上方に位置する長さに形成されている。すなわち、結晶成長装置70は、サセプター24に保持された基板26が、ガス導入管71の円錐形状に開いた先端部内に位置する状態で配置されている。
Further, the
そして、基板26は、上述のように、サセプターロッド22が上下方向に移動されることにより、反応容器21内の任意の位置に設置され、ガス供給管28との距離が設定可能となっている。
Then, as described above, the
この結晶成長装置70を使用して結晶成長を行う場合、基板26を誘導加熱用コイル29によりサセプター24に渦電流を発生させてサセプター24を加熱源として基板26を加熱し、ガス供給管28から原料ガスであるTMG、TMA、TMI、アンモニア、水素、窒素を基板26に向かって噴射する。
When crystal growth is performed using this
また、補助ガス供給管62からは、ガス供給管28から基板26に向かって噴射された原料ガスの外側を取り巻くように、反応に直接寄与しない窒素ガスや水素ガスが噴射され、ガス導入管71からは、反応に直接寄与しない窒素ガスや水素ガスが反応容器21内に導入される。
Further, from the auxiliary
ガス供給管28から噴射されるガスの温度は、基板26やサセプター24あるいはサセプターホルダ27付近の温度に比較して低いため、基板26の表面で熱せられて熱対流が発生する。ところが、この原料ガスの熱対流は、基板26がその結晶成長面を下方向に向けて配設され、ガス供給管28が基板26の下方から結晶成長面に向かって原料ガスを噴射する状態で配設されているため、基板26の中心から径方向に向かって外側に流れることとなり、基板26の結晶成長表面に常に新鮮な原料ガスを供給することができる。
Since the temperature of the gas injected from the
そして、補助ガス供給管62及びガス導入管71から噴射された反応に直接寄与しないガスは、ガス供給管28から基板26の結晶成長面に向かって噴射された原料ガスの広がりを抑制して、基板26の結晶成長面への原料ガスの供給効率をより一層向上させることができる。特に、ガス導入管71は、その先端部が基板26の外周を取り囲む位置まで延在して反応容器21の内壁とサセプターホルダ27との間に配設されており、より少ないガス量で、ガス供給管28から基板26の結晶成長面に向かって噴射された原料ガスの広がりを抑制して、基板26の結晶成長面への原料ガスの供給効率をより一層向上させることができる。
The gas that does not directly contribute to the reaction injected from the auxiliary
なお、本実施の形態においては、原料ガスとして、TMG、TMA、TMI、アンモニア、水素、窒素を用いているが、GaN系材料を結晶成長させることができる原料ガスであれば、これら以外のものについても、同様に適用することができる。 In the present embodiment, TMG, TMA, TMI, ammonia, hydrogen, and nitrogen are used as source gases. However, any source gas that can grow a GaN-based crystal can be used. The same applies to.
また、結晶成長装置70の反応容器21内の部品の材料については、上記説明した機能を果たすものであれば、上記のものに限るものではない。
In addition, the material of the components in the
さらに、補助ガス供給管62は、ガス供給管28よりも外側の位置であれば、その位置及び数は、任意に設定することができる。
Furthermore, as long as the auxiliary
図9は、上記各実施の形態の結晶成長装置で作成したGaN系半導体結晶膜を適用した半導体レーザ80の斜視図である。
FIG. 9 is a perspective view of a
図9において、半導体レーザ80は、サファイア製の結晶成長用基板81上に順次GaN系半導体膜82が形成されており、GaN系半導体膜82は、下層からn型GaNコンタクト層83、n型AlxGa(1-x)Nクラッド層84、GaN/InyGa(1-y)N多層量子井戸活性層85、p側AlxGa(1-x)Nクラッド層86、p側GaNコンタクト層87がそれぞれ順次積層されている。ここで、x=0.2、y=0.05である。
In FIG. 9, a
これら積層されている結晶層は、n型電極88がn型GaNコンタクト層83と接することができるようにn型GaNコンタクト層83までエッチングされており、n型電極88とn型GaNコンタクト層83がオーミック接合している。積層されている結晶層は、レーザ光Lが放出する光出射端面及びレーザ光Lが放出する光出射端面と対抗する端面が、レーザ光Lの放線方向とほぼ垂直方向にもエッチングされており、端面形成されている。
These stacked crystal layers are etched up to the n-type
p型電極89は、結晶層の最上層であるp型GaNコンタクト層87上に形成され、p型電極89とp型電極89をそれぞれカソード、アノード電極を印加して、電流を流すことにより、光出射端面からレーザ光Lが放出される。
The p-
そして、このような半導体レーザ80は、上記各実施の形態の結晶成長装置及び結晶成長方法を用いると、簡単な構成で、かつ、安価な結晶成長装置で、良質な半導体レーザ80を作成することができる。
Such a
なお、図9では、多層量子井戸活性層を含む半導体レーザ80について説明したが、単層量子井戸活性層やSCH(Separate Confinement Heterostructure)構造やあるいはこれらを組み合わせ等のレーザ発振を行う構造についても、同様に適用することができる。また、フォトダイオード等の受光素子やヘテロ接合トランジスタ等の電子デバイス等の高品質の結晶性が要求されるデバイスについても同様に適用することができる。
Although the
以上、本発明者によってなされた発明を好適な実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。 The invention made by the present inventor has been specifically described based on the preferred embodiments. However, the present invention is not limited to the above, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
20 結晶成長装置
21反応容器
22サセプターロッド
23サセプターカバー
24サセプター
25連通管
26基板
27サセプターホルダ
27a保持部
28ガス供給管
28a噴射口
29誘導加熱用コイル
30結晶成長装置
31サセプターホルダ
31a保持部
32サセプターカバー
40サセプターホルダ
41膜
42サセプターホルダ
43膜
50結晶成長装置
60結晶成長装置
61下側フランジ
62補助ガス供給管
70結晶成長装置
71ガス導入管
80半導体レーザ
81基板
82GaN系半導体膜
83n型GaNコンタクト層
84n型AlxGa(1-x)Nクラッド層
85GaN/InyGa(1-y)N多層量子井戸活性層
86p側AlxGa(1-x)Nクラッド層
87p側GaNコンタクト層
88n型電極
89p型電極
20
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